楊林河+鄭欽丞

無人機(jī)舵機(jī)是由直流電機(jī)、舵機(jī)控制器、多個(gè)傳感器和必要的機(jī)械支撐機(jī)構(gòu)組成的一套自動(dòng)控制系統(tǒng)。作為飛行控制中心和舵機(jī)之間的信息連接橋梁，它能夠通過人工在線編程，實(shí)現(xiàn)對無人飛行器多級的伺服控制，具有制作成本低、性能高、安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。文章首先對無人機(jī)舵機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了簡單概述，隨后對控制系統(tǒng)中各個(gè)部分的硬件組成進(jìn)行了詳細(xì)介紹，最后通過系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，對其功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī)舵機(jī) 控制系統(tǒng) 硬件組成 軟件設(shè)計(jì)

1 無人機(jī)舵機(jī)控制系統(tǒng)概述

目前，市面上流行的舵機(jī)形狀和種類十分豐富，但是舵機(jī)內(nèi)部的主要功能模塊基本相同，其主要的組成和功能如下。

舵機(jī)控制器是整個(gè)無人機(jī)控制系統(tǒng)的中心，內(nèi)部有中央控制器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、驅(qū)動(dòng)模塊等。中央控制器的主板是單片機(jī)，可以人工寫入語言程序，完成定向控制。通常情況下，舵機(jī)的主要運(yùn)行流程是：首先，操作人員啟動(dòng)單片機(jī)，并運(yùn)行相應(yīng)的控制程序；單片機(jī)將程序指令以二進(jìn)制信號形式發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)將電信號轉(zhuǎn)化為一舵偏角指令，經(jīng)過單片機(jī)的各個(gè)數(shù)據(jù)串口，傳送到舵機(jī)的調(diào)節(jié)單元。其次，調(diào)節(jié)單元將接受到的偏角指令與PWM進(jìn)行對比，將對比結(jié)果定義為A；隨后調(diào)節(jié)單元測量舵機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，將超出量定義為B；最后檢測整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際電流，所得結(jié)果輸出給PWM，定義為C。將上述測定結(jié)果輸入到無刷直流電機(jī)的HALL傳感器中，生成對應(yīng)的霍爾信號HA、HB、HC。最后，電機(jī)接受霍爾信號，并驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，減速器輸出驅(qū)動(dòng)舵面。系統(tǒng)運(yùn)作流程如圖1所示。

2 舵機(jī)控制器的硬件組成

2.1 主控芯片

主控芯片采用Atmel公司制造的COR-M3型CPU，也是目前無人機(jī)舵機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種主控芯片，其主要特點(diǎn)有：

（1）采用32位集成系統(tǒng)，最高工作頻率可達(dá)72MHz，存儲(chǔ)容量可達(dá)512KB，數(shù)據(jù)庫內(nèi)能夠存儲(chǔ)海量編程語言，能夠?qū)崿F(xiàn)豐富的系統(tǒng)操作。

（2）芯片自帶UART，并且設(shè)置兩個(gè)通行串口，能夠同時(shí)對不同的上位機(jī)進(jìn)行操作，保證了無人機(jī)舵機(jī)控制系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行。另外，兩個(gè)通行串口相互獨(dú)立，便于內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳遞，提高了控制系統(tǒng)的工作效率。

（3）芯片上設(shè)置中斷源，當(dāng)舵機(jī)控制系統(tǒng)啟動(dòng)報(bào)警器后，中斷源能夠及時(shí)響應(yīng)，并調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的程序質(zhì)量，處理突發(fā)問題，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

主控芯片集成了整個(gè)控制系統(tǒng)的絕大多數(shù)控制程序，能夠完成電流反饋、信息處理、編程控制等多項(xiàng)功能。另外，COR-M3型CPU還具有自動(dòng)保存功能，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能夠及時(shí)生產(chǎn)故障診斷文件，并存在在數(shù)據(jù)庫中，避免今后出現(xiàn)相同的問題。

2.2 無刷電機(jī)

普通的直流電機(jī)不能將舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度信息反饋給控制單元，因此也就不能實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)舵機(jī)的有效控制。無刷電機(jī)能夠接受主控芯片的控制信號，并在一定角度內(nèi)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，為整個(gè)無人機(jī)控制系統(tǒng)提供持續(xù)的電流。本文研究所選用的無刷電機(jī)為MAXII系列的EPM-220，該器件具有工作電壓低、反應(yīng)靈敏、可在線編程等特點(diǎn)，能夠通過更改程序指令，實(shí)現(xiàn)對電子開關(guān)的動(dòng)作控制，從而確保了整個(gè)舵機(jī)系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的直流電機(jī)相比，大大降低了舵機(jī)CPU的功率損耗。

2.3 功率驅(qū)動(dòng)

功率驅(qū)動(dòng)電路是控制電路中的主要組成部分，本次研究選用的驅(qū)動(dòng)電路為MSK-401，其應(yīng)用優(yōu)勢主要有電壓負(fù)載大、輸出電流高，能夠大大簡化舵機(jī)控制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)。無論是使用效率還是后期維護(hù)，都具有顯著的優(yōu)越性。另外，考慮到舵機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行中對電壓的輸出穩(wěn)定性要求較多，功率驅(qū)動(dòng)電路還外加整流橋和穩(wěn)壓設(shè)備，能夠確保舵機(jī)控制系統(tǒng)得到持續(xù)、穩(wěn)定的電壓輸出。

2.4 信號檢測

信號實(shí)時(shí)反饋是無人機(jī)舵機(jī)控制功能發(fā)揮的重要因素，從系統(tǒng)功能上來看，舵機(jī)控制系統(tǒng)所產(chǎn)生的反饋信號主要包括三類：舵面位置信號、無刷電機(jī)的電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速。舵機(jī)主控芯片通過收集、整理三類型號，生產(chǎn)相應(yīng)的動(dòng)作指令，確保了控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確無誤的完成操作指令。因此，在舵機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)過程中，必須加強(qiáng)內(nèi)部控制信號的檢測，一方面要提高反饋信號的精確度，另一方面則要保證信號反饋的及時(shí)性。

2.5 ADC轉(zhuǎn)換電路

舵機(jī)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換電路中設(shè)置有4個(gè)單口雙向通道，每個(gè)ADC電路均采用集成模塊，以保證電路運(yùn)行的穩(wěn)定性。四個(gè)單口雙向通道均有不同的功能，一號通道主要用于電壓信號的收集；二號通道主要用于電流信號的收集；三號通道負(fù)責(zé)對舵機(jī)控制系統(tǒng)的模擬信號進(jìn)行控制；四號通道主要用于檢測電位器的實(shí)時(shí)電壓，當(dāng)瞬時(shí)電壓升高時(shí)，及時(shí)啟動(dòng)保護(hù)開關(guān)，避免電路燒毀。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)的重要組成部分，合理組織軟件結(jié)構(gòu)可提高可讀性、可移植性和可擴(kuò)展性等問題。設(shè)計(jì)的軟件應(yīng)盡量使各個(gè)功能模塊獨(dú)立，這樣有利于系統(tǒng)軟件的修改與調(diào)試。舵機(jī)控制系統(tǒng)的軟件主要包括以下幾個(gè)功能模塊：數(shù)據(jù)采集和通信模塊、控制算法模塊、PWM產(chǎn)生模塊以及各種管理監(jiān)測模塊。其中，數(shù)據(jù)通信模塊主要涉及CAN總線數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，數(shù)據(jù)采集處理包括舵面位置、電機(jī)電流以及參考電壓的采集處理，PWM模塊包括輸出PWM波和獲取脈沖編碼器的讀數(shù)等。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

禹州市第一高級中學(xué) 河南省禹州市 461670